Fysikere opdager, at nogle plasma-ustabiliteter kan slukke sig selv

Fysiker Fatima Ebrahimi ved det amerikanske energiministeriums (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) har for første gang brugt avancerede modeller til nøjagtigt at simulere nøglekarakteristika for den cykliske adfærd af kantlokaliserede tilstande (ELM'er), en bestemt type plasmaustabilitet. Resultaterne kunne hjælpe fysikere til mere fuldstændigt at forstå plasmas adfærd, det varme, ladet gas, der brænder fusionsreaktioner i doughnut-formede fusionsfaciliteter kaldet tokamaks, og mere pålideligt producere plasmaer til fusionsreaktioner. Resultaterne kunne også give indsigt i soludbrud, udbruddene af enorme masser af plasma fra solens overflade ud i rummet.

Ebrahimi, der rapporterede arbejdet i maj i et papir med titlen, "Ikke-lineær genforbindelseskant lokaliserede tilstande i strømførende plasmaer" i journalen Plasmas fysik , opnået resultaterne gennem ikke-lineær simulering af ustabiliteten. "Denne forskning både gengiver og forklarer den burst-lignende, eller kvasi-periodisk, adfærd af ELMS, " sagde Ebrahimi. "Hvis det forekommer i store tokamaks i fremtiden, disse udbrud kan beskadige nogle af maskinens interne komponenter. At forstå dem kan hjælpe forskerne med at forhindre den skade."

ELM'er opstår omkring yderkanten af ​​høj indespærring, eller H-tilstand, plasmaer på grund af stærke kantstrømme. Ebrahimi brugte en computersimuleringskode kendt som NIMROD til at vise, hvordan ELM'er gennemgår en gentagen cyklus, hvor de dannes, udvikle, og forsvinde.

Modellen viser, at ELM'er kan dannes, når der eksisterer en stejl gradient af strøm ved plasmakanten. Gradienten udvikler sig, når plasmaet pludselig bevæger sig op eller ned, skabe et bump i strømmen og danne et kantstrømark. Ustabiliteten danner så en strømførende filament, der bevæger sig rundt om tokamak, producerer elektriske felter, der interfererer med de strømme, der fik ELM'erne til at danne. Med de oprindelige strømme afbrudt, ELM dør. "På en måde, " sagde Ebrahimi, "en ELM eliminerer sin egen kilde - sletter bumpet på kantstrømmen - af egen bevægelse."

Ebrahimis resultater er i overensstemmelse med observationer af cyklisk adfærd af ELM'er i tokamaks rundt om i verden. Disse omfatter Pegasus, en lille sfærisk enhed ved University of Wisconsin; Mega Ampere Spherical Tokamak (MAST) i Det Forenede Kongerige; og National Spherical Torus Experiment (NSTX), flagskibsfaciliteten hos PPPL før dens nylige opgradering. Forskningen kunne også forbedre forståelsen af ​​soludbrud, som er ledsaget af filamentære strukturer svarende til dem, der produceres af ELM'er. Hendes næste skridt vil involvere at undersøge virkningen af ​​forskelle i plasmatryk på den cykliske adfærd af ELM'er.